2024年5月8日发(作者：宏和悌)
・
１２４・
长江大学学报（自然科学版） ２０１０年１２月第７卷第４期：理工
Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｙａｎｇｔｚｅ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ（Ｎａｔ Ｓｃｉ Ｅｄｉｔ）Ｄｅｃ．２０１０．Ｖｏ１．７ Ｎｏ。４：Ｓｃｉ＆Ｅｎｇ
基于ＰＩＣ１８Ｆ２５８单片机直流电动机调速系统的研制
刘家龙，翁惠辉 （长江大学电子信息学院，湖北荆州４３４０２３）
马卫东 （中石油东方地球物理公司国际部，河北涿州０７２７５０）
［摘要］介绍一种速度反馈单闭环直流调速控制系统，分析电机调压调速下的数学模型，提出基于脉冲宽
度调制ＰＷＭ的电机转速控制方式，并给出基于ＰＩＣ１８Ｆ２５８、ＩＧＢＴ、ＥＸＢ８４１等电子器件下的调速系统软
硬件实现。
［关键词］绝缘栅双极型晶体管；Ｐ１Ｃ１８Ｆ２５８；ＰＷＭ；单闭环直流调速系统
［中图分类号］ＴＰ２７３．２ ［文献标识码］Ａ ［文章编号］１６７３—１４０９（２０１０）０４一Ｎ１２４—０３
现代工业生产中电动机是主要的驱动设备，随着电子技术的高速发展，促使直流电机调速逐步从模
拟化向数字化 专变，特别是单片机技术的应用，使直流电机调速技术又进入到一个新的阶段，智能化、
高可靠性已成为其发展趋势。为此，笔者设计了一种速度反馈单闭环直流调速控制系统。该调速系统采
用ＰＩＣ１８Ｆ２５８ｃ 单片机作为中心处理器，选用了先进的功率器件绝缘栅双极型晶体管ＩＧＢＴ 组成调速
控制器的主回路，用ＥＸＢ８４１ ｇ。 以驱动和控制ＩＧＢＴ，采用速度单闭环控制实现电机的调速㈨。
１速度反馈单闭环调速系统的动态数学模型
直流电动机可用如图１所示的等效电路来表示，由此可
以得到它的数学模型 ｊ：
ｄ：Ｒｊ ｄ＋Ｌ挚十Ｅ
Ｕ
（１）
（２） Ｅ＝Ｃ
一
丁 ＝譬 × ｄｎ （３） 图ｌ 直流电动机的等效电路图
（４） Ｔｅ—Ｃ ｄ
式中，Ｃ 为电动势常数；｛＆为电机磁通； 为电机转速；ＴＩ 为包括电机空载转矩在内的负载转矩；ＧＤ 为电
力拖动系统运动部分折算到电机轴上的飞轮力矩；Ｃｍ一 ，为额定励磁下的转矩常数。
由式（１）～（４）可得直流电动机数学模型结构如图２所示。
由图２可看出通过改变电枢电压 可方便实现对电机转速ｎ的控制，脉冲宽度调制ＰＷＭ技术是
’
（５）
调节电压的有效方法之一（原理如图３所示）：
Ｕｄ一
式中，Ｔ为脉冲周期；ｒ为导通时间。
Ｕ
１＿
Ｏ
Ｄ
Ｕｄ
，『０ Ｕｄ ２
＼
图２直流电动机数学模型结构图
图３ ＰＷＭ调节电压原理图
［收稿日期］２０１０一１０—２４
［作者简介］刘家龙（１９８３一），男，２００６年大学毕业，硕士生，现主要从事电力电子与电气传动方面的研究。
第７卷第４期：理工 刘家龙等：基于ＰＩＣ１８Ｆ２５８单片机直流电动机调速系统的研制
引入比例积分ＰＩ调节，结合脉冲宽度调制ＰＷＭ技术，可得额定励磁下基于转速反馈单闭环直流
电机调速系统结构如图４所示。
图４ 比例积分调节控制器的闭环调速系统结构图
２ 系统结构
系统以ＰＩＣ１８Ｆ２５８单片机为控制核心，由检测、控制、显示３部分组成。检测部分主要实现电枢
电流采样和电机转速检测；控制部分主要实现ＰＷＭ信号和开关量信号输出；显示部分通过数码管驱动
芯片ＭＡＸ７２１９驱动数码管ＬＥＤ实现电机转速实时显示。系统结构如图５所示。
Ｐ０ＲＴＢ
蛔
直流电动机电枢绕组
直流电动机绕组
电枢电流｝ 信号调理通道｝ ＡＤ０ ＰＷＭ 二 Ｘ 二二】≥｜＿Ｉ
ＰｌＣ１８Ｆ２５８
ＲＡ４
电机转速 信号调理通道日 ＩＮＴＯ ＲＡ５
ＳＰＩ
图５系统结构图
３主要硬件电路设计
３．１直流电机控制主回路设计
控制主回路主要基于ＰＷＭ技术实现电枢电压的控制，具体电路如图６所示。交流电经整流滤波后
得到Ｕ。。由ＰＩＣ１８Ｆ２５８单片机输出ＰＷＭ信号，经ＥＸＢ８４１驱动ＩＧＢＴ开关以调节Ｕｄ。二极管ＢＹ２２９
起续流作用，ＩＧＢＴ匹配电阻Ｒ。选８２Ｑ 。
图６直流电机电枢绕组驱动电路
长江大学学报（自然科学版） ２０１０年１２月
３．２电机转速检测电路
＋５Ｖ
该系统中速度传感器使用的是电感式接近开关
ＴＫ—ＨＮ１０Ｃ，该传感器采用＋１２Ｖ供电，输出信号
是＋５Ｖ脉冲信号。脉冲信号首先经光电耦合器
ＴＬＰ５２１，然后经ＲＣ（取Ｒ一１Ｋ、Ｃ一１ Ｆ）滤波电
路后输入ＰＩＣ１８Ｆ２５８单片机的外部中断ＩＮＴＯ口，
当检测到脉冲信号的下降沿时产生中断。在电机转
速软件设计过程中采用测中断有效脉冲的周期进行
图７电机转速检测电路
转速测量，具体电机转速检测电路如图７所示。
４软件设计
系统主程序是由几个功能模块和中断服务程序组成，系统首先进行初始化，然后循环调用显示、采
样、控制子程序实现直流电动机调压调速。系统总体软件流程如图８所示。
图８ 系统总体软件流程图
５结 语
笔者采用功率器件ＩＧＢＴ设计的直流电动机调速控制器的结构简单，精度高，工作可靠，体积小，
应用于钻井液泥浆润滑系数的测试取得良好控制效果。
［参考文献］
［１］Ｍｉｃｒｏｃｈｉｐ．ＰＩＣ１８ＦＸＸＸ ＤａｔａＳｈｅｅｔ［ＥＢ／ＯＥ１．ｈｔｔｐ：／／￣ｗｗ．ａｌｌｄａｔａｓｈｅｅｔ．ｃｏｉｎ，２０１０—１０—２０，
Ｅ２］Ｆａｉｒｃｈｉｌｄ Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ．ＦＧＡ２５Ｎ１２０ＡＮＴＤ１２００Ｖ ＮＰＴ Ｔｒｅｎｃｈ ＩＧＢＴ Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ Ｍａｎｕａｌ［ＥＢ／ＯＬ］．ｈｔｔｐ：／／ｗｗｗ．ａｌｌｄａｔａｓｈｅｅｔ．ｃｏｒｎ
２０１０—１０—１２．
Ｉ－ｓ］Ｆｕｊｉ Ｅｌｅｃｔｒｉｃ．ＩＧＢＴ～Ｄｒｉｖｉｎｇ Ｈｙｂｒｉｄ ＩＣｓ（ＥＸＢ８ Ｓｅｒｉｅｓ）Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ Ｍａｎｕａｌ［ＥＢ／ＯＬ］．ｂｔｔｐ：／／ｗｗｗ．ａｌｌｄａｔａｓｈｅｅｔ．ＣＯｍ，２０１０ １０ １ ６
［４］陈伯时．电力拖动自动控制系统［Ｍ］．北京：机械工业出版社，１９９２．１２～８６．
［５］叶斌．电力电子应用技术［Ｍ］．北京：清华大学出版社，２００６．７９￣９２．
［编辑］ 易国华
2024年5月8日发(作者：宏和悌)
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１２４・
长江大学学报（自然科学版） ２０１０年１２月第７卷第４期：理工
Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｙａｎｇｔｚｅ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ（Ｎａｔ Ｓｃｉ Ｅｄｉｔ）Ｄｅｃ．２０１０．Ｖｏ１．７ Ｎｏ。４：Ｓｃｉ＆Ｅｎｇ
基于ＰＩＣ１８Ｆ２５８单片机直流电动机调速系统的研制
刘家龙，翁惠辉 （长江大学电子信息学院，湖北荆州４３４０２３）
马卫东 （中石油东方地球物理公司国际部，河北涿州０７２７５０）
［摘要］介绍一种速度反馈单闭环直流调速控制系统，分析电机调压调速下的数学模型，提出基于脉冲宽
度调制ＰＷＭ的电机转速控制方式，并给出基于ＰＩＣ１８Ｆ２５８、ＩＧＢＴ、ＥＸＢ８４１等电子器件下的调速系统软
硬件实现。
［关键词］绝缘栅双极型晶体管；Ｐ１Ｃ１８Ｆ２５８；ＰＷＭ；单闭环直流调速系统
［中图分类号］ＴＰ２７３．２ ［文献标识码］Ａ ［文章编号］１６７３—１４０９（２０１０）０４一Ｎ１２４—０３
现代工业生产中电动机是主要的驱动设备，随着电子技术的高速发展，促使直流电机调速逐步从模
拟化向数字化 专变，特别是单片机技术的应用，使直流电机调速技术又进入到一个新的阶段，智能化、
高可靠性已成为其发展趋势。为此，笔者设计了一种速度反馈单闭环直流调速控制系统。该调速系统采
用ＰＩＣ１８Ｆ２５８ｃ 单片机作为中心处理器，选用了先进的功率器件绝缘栅双极型晶体管ＩＧＢＴ 组成调速
控制器的主回路，用ＥＸＢ８４１ ｇ。 以驱动和控制ＩＧＢＴ，采用速度单闭环控制实现电机的调速㈨。
１速度反馈单闭环调速系统的动态数学模型
直流电动机可用如图１所示的等效电路来表示，由此可
以得到它的数学模型 ｊ：
ｄ：Ｒｊ ｄ＋Ｌ挚十Ｅ
Ｕ
（１）
（２） Ｅ＝Ｃ
一
丁 ＝譬 × ｄｎ （３） 图ｌ 直流电动机的等效电路图
（４） Ｔｅ—Ｃ ｄ
式中，Ｃ 为电动势常数；｛＆为电机磁通； 为电机转速；ＴＩ 为包括电机空载转矩在内的负载转矩；ＧＤ 为电
力拖动系统运动部分折算到电机轴上的飞轮力矩；Ｃｍ一 ，为额定励磁下的转矩常数。
由式（１）～（４）可得直流电动机数学模型结构如图２所示。
由图２可看出通过改变电枢电压 可方便实现对电机转速ｎ的控制，脉冲宽度调制ＰＷＭ技术是
’
（５）
调节电压的有效方法之一（原理如图３所示）：
Ｕｄ一
式中，Ｔ为脉冲周期；ｒ为导通时间。
Ｕ
１＿
Ｏ
Ｄ
Ｕｄ
，『０ Ｕｄ ２
＼
图２直流电动机数学模型结构图
图３ ＰＷＭ调节电压原理图
［收稿日期］２０１０一１０—２４
［作者简介］刘家龙（１９８３一），男，２００６年大学毕业，硕士生，现主要从事电力电子与电气传动方面的研究。
第７卷第４期：理工 刘家龙等：基于ＰＩＣ１８Ｆ２５８单片机直流电动机调速系统的研制
引入比例积分ＰＩ调节，结合脉冲宽度调制ＰＷＭ技术，可得额定励磁下基于转速反馈单闭环直流
电机调速系统结构如图４所示。
图４ 比例积分调节控制器的闭环调速系统结构图
２ 系统结构
系统以ＰＩＣ１８Ｆ２５８单片机为控制核心，由检测、控制、显示３部分组成。检测部分主要实现电枢
电流采样和电机转速检测；控制部分主要实现ＰＷＭ信号和开关量信号输出；显示部分通过数码管驱动
芯片ＭＡＸ７２１９驱动数码管ＬＥＤ实现电机转速实时显示。系统结构如图５所示。
Ｐ０ＲＴＢ
蛔
直流电动机电枢绕组
直流电动机绕组
电枢电流｝ 信号调理通道｝ ＡＤ０ ＰＷＭ 二 Ｘ 二二】≥｜＿Ｉ
ＰｌＣ１８Ｆ２５８
ＲＡ４
电机转速 信号调理通道日 ＩＮＴＯ ＲＡ５
ＳＰＩ
图５系统结构图
３主要硬件电路设计
３．１直流电机控制主回路设计
控制主回路主要基于ＰＷＭ技术实现电枢电压的控制，具体电路如图６所示。交流电经整流滤波后
得到Ｕ。。由ＰＩＣ１８Ｆ２５８单片机输出ＰＷＭ信号，经ＥＸＢ８４１驱动ＩＧＢＴ开关以调节Ｕｄ。二极管ＢＹ２２９
起续流作用，ＩＧＢＴ匹配电阻Ｒ。选８２Ｑ 。
图６直流电机电枢绕组驱动电路
长江大学学报（自然科学版） ２０１０年１２月
３．２电机转速检测电路
＋５Ｖ
该系统中速度传感器使用的是电感式接近开关
ＴＫ—ＨＮ１０Ｃ，该传感器采用＋１２Ｖ供电，输出信号
是＋５Ｖ脉冲信号。脉冲信号首先经光电耦合器
ＴＬＰ５２１，然后经ＲＣ（取Ｒ一１Ｋ、Ｃ一１ Ｆ）滤波电
路后输入ＰＩＣ１８Ｆ２５８单片机的外部中断ＩＮＴＯ口，
当检测到脉冲信号的下降沿时产生中断。在电机转
速软件设计过程中采用测中断有效脉冲的周期进行
图７电机转速检测电路
转速测量，具体电机转速检测电路如图７所示。
４软件设计
系统主程序是由几个功能模块和中断服务程序组成，系统首先进行初始化，然后循环调用显示、采
样、控制子程序实现直流电动机调压调速。系统总体软件流程如图８所示。
图８ 系统总体软件流程图
５结 语
笔者采用功率器件ＩＧＢＴ设计的直流电动机调速控制器的结构简单，精度高，工作可靠，体积小，
应用于钻井液泥浆润滑系数的测试取得良好控制效果。
［参考文献］
［１］Ｍｉｃｒｏｃｈｉｐ．ＰＩＣ１８ＦＸＸＸ ＤａｔａＳｈｅｅｔ［ＥＢ／ＯＥ１．ｈｔｔｐ：／／￣ｗｗ．ａｌｌｄａｔａｓｈｅｅｔ．ｃｏｉｎ，２０１０—１０—２０，
Ｅ２］Ｆａｉｒｃｈｉｌｄ Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ．ＦＧＡ２５Ｎ１２０ＡＮＴＤ１２００Ｖ ＮＰＴ Ｔｒｅｎｃｈ ＩＧＢＴ Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ Ｍａｎｕａｌ［ＥＢ／ＯＬ］．ｈｔｔｐ：／／ｗｗｗ．ａｌｌｄａｔａｓｈｅｅｔ．ｃｏｒｎ
２０１０—１０—１２．
Ｉ－ｓ］Ｆｕｊｉ Ｅｌｅｃｔｒｉｃ．ＩＧＢＴ～Ｄｒｉｖｉｎｇ Ｈｙｂｒｉｄ ＩＣｓ（ＥＸＢ８ Ｓｅｒｉｅｓ）Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ Ｍａｎｕａｌ［ＥＢ／ＯＬ］．ｂｔｔｐ：／／ｗｗｗ．ａｌｌｄａｔａｓｈｅｅｔ．ＣＯｍ，２０１０ １０ １ ６
［４］陈伯时．电力拖动自动控制系统［Ｍ］．北京：机械工业出版社，１９９２．１２～８６．
［５］叶斌．电力电子应用技术［Ｍ］．北京：清华大学出版社，２００６．７９￣９２．
［编辑］ 易国华